實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，工業(yè)需走在前列。鋼鐵、水泥、鋁冶煉是工業(yè)碳排放的三座“大山”，年排放約30億噸二氧化碳當(dāng)量，占全國碳排放總量的20%以上。如何解決這一難題呢？

最近，鞍鋼集團聯(lián)合中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、過程工程研究所及上海大學(xué)等單位取得重大突破：全球首套綠電綠氫氫冶金中試線在鞍鋼集團遼寧營口鲅魚圈生產(chǎn)基地實現(xiàn)全流程工藝貫通，穩(wěn)定產(chǎn)出金屬化率達(dá)95%的綠色近零碳直接還原鐵！

這一成果不僅打破了國外壟斷，實現(xiàn)全套工藝設(shè)備完全國產(chǎn)自主化設(shè)計制造，還具有顯著的減排效果。每生產(chǎn)一萬噸直接還原鐵，全年約減排二氧化碳1.2萬噸，相當(dāng)于植樹造林66萬棵。鋼鐵“高碳”的帽子有望被摘掉了。

“綠電”和“綠氫”從何而來？它們又是如何用于冶煉鋼鐵的呢？下面一起揭秘。

PART.01 什么是氫冶金？

傳統(tǒng)高爐煉鐵使用焦炭作燃料和還原劑，在高溫下，焦炭和氧氣不完全燃燒生成一氧化碳，“碳”奪走鐵礦石中鐵氧化物的氧，留下鐵單質(zhì)并煉出鐵水。但這種方式中，焦炭的燃燒和還原反應(yīng)都會產(chǎn)生二氧化碳，每煉出1噸鋼，平均要排放約1.8噸二氧化碳。

而氫冶金則改用氫氣作為熱源和還原劑。在高溫下，氫氣和鐵礦石里的鐵氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，僅生成鐵單質(zhì)和水，不排放二氧化碳。

目前，氫基豎爐煉鐵是廣泛應(yīng)用的氫冶金技術(shù)，它用氫氣為主的混合氣代替焦炭，在豎爐里直接把球團鐵礦還原成鐵，跳過了焦化、燒結(jié)等高碳工序，流程更短、碳排更低。

然而，過去氫基豎爐煉鐵的核心技術(shù)與裝備長期被國外企業(yè)壟斷，混合氣中摻雜天然氣或焦?fàn)t煤氣，難以徹底實現(xiàn)零碳，且對原料要求高，需用67%以上超高品位的鐵精礦，資源約束嚴(yán)峻。這些問題倒逼鋼鐵企業(yè)尋找新方法，綠電綠氫流化床氫冶金成為新思路。

“綠電”是用風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)的電，“綠氫”是用綠電電解水制出的氫氣，“流化床”是讓鐵礦石顆粒反應(yīng)的容器。氫氣吹入后，鐵礦石顆粒懸浮碰撞，氣固反應(yīng)更充分，還原效率更高。整個過程就像電鍋“氫”蒸，可實現(xiàn)低碳甚至零碳。

PART.02 煉出“綠鐵”分幾步？

來看這條氫冶金中試線的流程升級：

1. 造粒：給鐵礦石“搓丸子”，讓粒小反應(yīng)更快。氫氣還原鐵礦是氣固反應(yīng)，礦石顆粒越小反應(yīng)速率越快。先將鐵礦石粉碎，加粘結(jié)劑用造粒機搓成小顆粒，再進回轉(zhuǎn)窯焙燒固結(jié)，最后存進緩沖倉備用。這就像給鐵礦石做“預(yù)處理SPA”，讓其既能快速參與還原，又能避免高溫顆粒粘結(jié)。

2. 制氫：綠電高效電解水制氫，環(huán)保又經(jīng)濟。廠區(qū)的風(fēng)力—光伏電力系統(tǒng)發(fā)電后進行堿水電解制氫。電解液由高純度氫氧化物按一定濃度溶解于凈化水配制而成，可提升導(dǎo)電性、降低能耗。電極催化劑能提高電解效率，讓水分子在直流電驅(qū)動下變?yōu)闅錃夂脱鯕?。析出的氫氣會被送進四個大儲罐緩存，按需送往還原系統(tǒng)。與傳統(tǒng)化石能源制氫相比，電解水制氫無硫氧化物、氮氧化物等污染物排放。

3. 還原：流化床里“氫鐵蹦迪”，10分鐘煉鐵。還原系統(tǒng)是流化床氫冶金的核心，鐵礦石顆粒與氫氣在其中反應(yīng)。綠氫升溫后從下方“吹進”兩級流化床，反應(yīng)后的氫氣和水蒸氣經(jīng)過除塵除水，進入增壓機加壓，混合新鮮氫氣后循環(huán)利用。緩沖倉的鐵礦石顆粒從上方“倒進”一級流化床，高價氧化鐵被還原成低價氧化鐵，即“預(yù)還原”；再進入二級流化床，低價氧化鐵被還原成純金屬鐵，即“終還原”。得到的鐵單質(zhì)進入壓塊機，壓成圓柱體鐵餅送往煉鋼產(chǎn)線。

這條氫冶金中試線有四大優(yōu)勢：原料不挑食，普通品位鐵礦石制粒固結(jié)后可直接使用；過程超抗粘，造粒改良后加熱、還原、輸送都不粘結(jié)；冶煉效率高，顆粒10分鐘內(nèi)可被還原成金屬鐵；減排超徹底，全流程噸鐵二氧化碳近零排放，還能降低其他污染物，讓區(qū)域空氣更清新。此外，它還能拉動風(fēng)電、光伏、電解水制氫等相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，培育新經(jīng)濟增長點，推動能源轉(zhuǎn)型及工業(yè)升級。

PART.03 綠色鋼鐵供應(yīng)鏈的破繭之路

鞍鋼集團的綠色腳步不止于此。成功打通中試線全流程后，鞍鋼集團將聯(lián)合風(fēng)光電站、集成近零碳電爐等裝備，對接汽車、家電、航空等行業(yè)企業(yè)，打造“綠電制氫→綠氫冶金→綠鋼應(yīng)用”全生命周期綠色供應(yīng)鏈。

年產(chǎn)50萬噸的流化床煉鐵工業(yè)化示范項目也已提上日程，它將為全球鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供“鞍鋼方案”，彰顯中央企業(yè)的創(chuàng)新智慧與實踐擔(dān)當(dāng)。

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